关于量子计算机你需要知道这些事

作者:狗格格/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-08-31

为什么量子计算就是未来?

关于量子计算机你需要知道这些事

图片来源:pixelparticle / Shutterstock

  7月初,谷歌宣布将扩大其商用云计算服务,包括量子计算。自5月以来,IBM也提供了类似的服务。不过大多数普通人平常并没什么地方需要用到这些服务。

  但是,若能降低量子计算机的访问和使用难度,将有助于提高世界各国政府、学术和企业研究团体继续研究量子计算的能力。

  想要了解量子的系统,就需要探索一个大多数人并不熟悉的物理领域。

  根据生活经验,我们熟悉物理学家口中的“经典力学”,它支配着我们肉眼所见的大部分世界,比如当汽车撞到建筑物时产生的现象,扔一颗球的时候它的轨迹如何,以及为什么在沙滩上拖动一个一个冷藏柜会有那么大的阻力。

  但是量子力学描述的是一个亚原子的世界,里面包括质子、电子和光子。量子力学的定律与经典力学有很大的不同,可能会导致一些意想不到的、违反我们直觉的结果,比如一个物体可以是负质量的。

  量子物理学的简要介绍

  在我们的日常生活中,我们习惯了对存在的事物定义一个状态。比如说,一个灯泡是开着还是关着的。

  但是在量子的世界里,物体可以处于一种所谓的叠加态:一个假想的原子级的电灯泡可以同时既是开启的又是关闭的。而这个奇怪的特性对计算有着重要的影响。

  经典力学中最小的信息单元——也就是现在经典的计算机中的——是位,它要么是0要么是1,但0和1不能同时存在。因此,每一个字节都只能保存一个信息。

  这些二进制的位可以表示成电脉冲、磁场变化、甚至是物理开关,它构成了当今计算机和信息网络的所有计算、存储和通信的基础。

  量子位,则是经典力学中的单位,位,在量子力学中的等价物。

  它们俩之间一个最基本的区别是,由于量子具有态叠加原理,因此量子位可以同时持有0和1的值。而且量子位的物理现实本质必须是在原子尺度上的:例如,作为电子自旋或光子偏振的单位。

  用量子位计算

  另一个不同之处在于,二进制的位可以独立操作:在一个位置上翻转一个0或1对其它位置没有影响。但量子位则因为量子纠缠的特性,彼此相互依赖——即使它们相隔很远。

  这也意味着,在一台量子计算机上对一个量子位执行的操作可以同时影响到多个其它量子位。这种性质与并行处理有些类似但又不一样,量子纠缠的特性使得量子计算比经典系统快得多。

  大型的量子计算机,即拥有数百个量子位的量子计算机,目前还不存在,而且由于需要在原子水平进行操作和测量,因此很难构建。

  例如,IBM的量子计算机目前有16个量子位,而谷歌承诺将在今年年底前推出49个量子位的量子计算机。这将是一个惊人的进步。

  相比之下,目前的笔记本电脑内存有数千兆字节,而每十亿字节就有80亿经典力学的位。

  一种强大的工具

  尽管建造量子计算机有困难,但理论家们仍在探索它们的潜力。1994年,Peter Shor展示了量子计算机可以快速解决复杂的数学问题的能力,这些问题是所有常用的公共密钥加密系统的基础,比如那些为网络浏览器提供安全连接的程序。

  而大规模的量子计算机将会完全危及到我们所知道的互联网安全。密码学家们正在积极探索新的公共密钥算法,这些算法将具备“量子抗性”。

  有趣的是,量子力学的规律也可以用来设计密码系统。在某种意义上,它比经典计算机的模拟系统更安全。例如,量子密钥允许双方共享一个密码,而且没有任何一个人可以使用经典或量子计算机来重置。

 

  蝌蚪五线谱编译sciencealert,译者 狗格格,转载须授权

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